Siarka i chlor w roli głównej. Kluczowe połączenie pierwiastków
Sekret skuteczności nowego elektrolitu tkwi w jego składzie chemicznym. Pod kierunkiem prof. Yang Zhao opracowano materiał zawierający sód, hafn, siarkę i chlor. Okazało się, że dodatek siarki znacząco poprawia ruchliwość jonów sodu w strukturze materiału, zwiększając przewodność elektryczną. Wcześniejsze wersje stałych elektrolitów miały problem z transportem jonów, ponieważ były stabilne, lecz zbyt wolne. Dzięki wprowadzeniu siarki udało się osiągnąć przewodność jonową na poziomie 4,5 × 10⁻⁴ S/cm, co otwiera drogę do praktycznych zastosowań. Amorficzna struktura dodatkowo ułatwia przemieszczanie się jonów.
Sód jest znacznie bardziej obfity i tańszy, a jeśli uda nam się sprawić, że zadziała w stałej formie elektrolitu, może być tańszy, bezpieczniejszy i długowieczny – wyjaśnia Zhao
Nowy materiał wykazuje się niezwykłą odpornością na wysokie temperatury. Zachowuje stabilność nawet przy 600°C, podczas gdy tradycyjne elektrolity bogate w chlor zaczynają się rozkładać już przy nieco ponad 300°C. Ta różnica ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa baterii w ekstremalnych warunkach. Równie imponująca jest wytrzymałość mechaniczna. Moduł sprężystości wynoszący około 2,86 GPa oznacza, iż materiał jest wystarczająco twardy, by wytrzymać naciski powstające podczas pracy. W praktyce przekłada się to na dłuższą żywotność całego układu.
Testy z różnymi materiałami katodowymi. Obiecujące wyniki
Badacze sprawdzili działanie elektrolitu z trzema różnymi katodami. Najlepsze rezultaty osiągnięto z katodą Na₃V₂(PO₄)₃, gdyż po 100 cyklach ładowania bateria zachowała 98,9% początkowej pojemności. To wynik, który budzi optymizm co do przyszłości tej technologii. Inne kombinacje również wypadły zachęcająco. Z katodą P2/O3 Na₀.₈₅Mn₀.₅Ni₀.₄Fe₀.₁O₂ utrzymano 88,5% pojemności po 200 cyklach, a z O3-NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂ – 88,8% po 150 cyklach. Uniwersalność w współpracy z różnymi materiałami zwiększa szanse na komercjalizację. W zrozumieniu działania materiału pomogły zaawansowane badania przeprowadzone przy użyciu synchrotronu Canadian Light Source na University of Saskatchewan. Techniki rentgenowskie pozwoliły naukowcom zajrzeć w głąb struktury na poziomie atomowym.
Te narzędzia rentgenowskie pozwalają nam zobaczyć lokalne środowisko chemiczne, ścieżki jonów i struktury wiązań w sposób, który jest niemożliwy przy użyciu zwykłych instrumentów laboratoryjnych – dodaje główny autor badań
Czytaj też: Chińska technologia lotnicza osiąga nowe wyżyny. Eksperymentalny silnik wzniósł drona na 4000 metrów
Mimo obiecujących wyników, droga do masowej produkcji baterii sodowych ze stałym elektrolitem jest jeszcze długa. Wyzwaniem będzie przeskalowanie procesu z warunków laboratoryjnych do przemysłowych. Trzeba będzie rozwiązać kwestie kosztów produkcji, stabilności długoterminowej i integracji z istniejącymi systemami. Potencjalne zastosowania są szerokie: od pojazdów elektrycznych po magazynowanie energii w sieciach elektroenergetycznych. Nawet w elektronice użytkowej bezpieczniejsze baterie mogłyby znaleźć zastosowanie. Technologia opisana w czasopismach Advanced Functional Materials i Advanced Materials pokazuje, że baterie sodowe mogą w przyszłości stanowić uzupełnienie dla rozwiązań litowych, szczególnie tam, gdzie priorytetem są niższe koszty i większe bezpieczeństwo, a nie maksymalna gęstość energii.